DE102014212246B3

DE102014212246B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Qualitätssicherung

Info

Publication number: DE102014212246B3
Application number: DE102014212246.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hess; Günter Zenzinger; Joachim Bamberg; Alexander Ladewig
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: EP3160681A1; US20170136574A1; WO2015197038A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils während dessen Herstellung, wobei die Herstellung mittels mindestens eines generativen Fertigungsverfahrens erfolgt, das folgende Schritte umfasst: – schichtweiser Aufbau des Bauteils, – thermografische Aufnahme mindestens eines Bildes von jeder einzelnen aufgetragenen Schicht. Um eine zerstörungsfreie Rissprüfung eines metallischen Bauteils während des Herstellungsprozesses (Prüfung mittels eines Online-Verfahrens) zu ermöglichen, werden zumindest einige der aufgetragenen Schichten, vor der thermografischen Aufnahme des zugehörigen Bildes einer gesteuerten Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Bauteilmaterials unterzogen, wobei die Wärmebehandlung eine von der zuletzt aufgetragenen Schicht ausgehende Wärmestrahlung bewirkt, die beim Auftreten mindestens eines Risses in der Schicht einen charakteristischen Wärmeverlauf am Riss aufweist, wobei der Wärmeverlauf und damit der Riss mittels der zugehörigen thermografischen Aufnahme sichtbar gemacht wird. Bevorzugterweise wird jede aufgetragene Schicht einer derartigen Behandlung unterzogen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils während dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus dem Stand der Technik sind Laserthermografieverfahren bekannt, die als zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZFP-Verfahren) zur Erkennung von Rissen in Bauteilen verwendet werden. Hierbei wird die Abkühlung der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils mit einer Laserthermografiekamera erfasst. Dies ist jedoch mit Einschränkungen verbunden, da das zu prüfende Bauteil aus lasertechnischen Sicherheitsgründen eingehaust sein muss. Durch die hohe Energie des Lasers kommt es zu einer erheblichen Erwärmung der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils. Für die Prüfung des Bauteils muss bei einem generativen Fertigungsverfahren der Herstellungsprozess unterbrochen werden. Für die Erwärmung des Bauteils ist eine zweite Energiequelle erforderlich.
Die DE 10 2011 009 624 A1 offenbart ein Verfahren zur Prozessüberwachung, wobei der Bauraum thermisch und das Bauteil selbst während des Schichtauftrages, in Echtzeit optisch erfasst werden.
Die EP 1 712 926 A1 offenbart ein Verfahren zur thermischen Abscheidung einer Beschichtung auf einem Bauteil, wobei der thermische Verlauf während des Prozesses zur Prozesskontrolle an mehreren Positionen der metallischen Oberfläche des Bauteils simultan überwacht wird.
Aus der US6,122,564 B1 ist ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Überwachung und Kontrolle des Multi-Schicht-Lasercladdingprozesses bekannt, wobei hier durch optische Messung der Prozessverlauf während des Verfahrens überwacht wird.
Die WO 2013/000622 A1 offenbart ein Verfahren zum Erkennen von Fehlern an einer nicht-linearen Schweißnaht bzw. einem nicht-linearen Schnittspalt während eines Laser-Bearbeitungsprozesses sowie eine entsprechende Laserbearbeitungsvorrichtung, wobei die Fehlererkennung durch Detektion der emittierten und/oder reflektierten Strahlung mithilfe eines Detektors und Auswertung der erfassten Daten erfolgt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das bei einem generativen Fertigungsverfahren eine zerstörungsfreie Rissprüfung eines metallischen Bauteils während des Herstellungsprozesses (Prüfung mittels eines Online-Verfahrens) ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Erfindungsgemäß besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils während dessen Herstellung, wobei die Herstellung mittels mindestens eines generativen Fertigungsverfahrens erfolgt, das folgende Schritte umfasst:

– schichtweiser Aufbau des Bauteils,
– thermografische Aufnahme mindestens eines Bildes von jeder einzelnen aufgetragenen Schicht.

Zumindest einige der aufgetragenen Schichten werden vor der thermografischen Aufnahme des zugehörigen Bildes einer gesteuerten Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Bauteilmaterials unterzogen, wobei die Wärmebehandlung eine von der zuletzt aufgetragenen Schicht ausgehende Wärmestrahlung bewirkt, die beim Auftreten mindestens eines Risses in der Schicht einen charakteristischen Wärmeverlauf am Riss aufweist, wobei der Wärmeverlauf und damit der Riss mittels der zugehörigen thermografischen Aufnahme sichtbar gemacht wird. Unter einem charakteristischen Wärmeverlauf am Riss wird eine Wärmeverteilung verstanden, die speziell aufgrund der Materialunterbrechung am Riss entsteht. Die Thermografieeinrichtung ist insbesondere eine laserfreie bzw. laserunabhängige Thermografieeinrichtung, bei der keine Erwärmung des Bauteils durch die Thermografieeinrichtung erfolgt.
Dadurch ist es möglich, während der generativen Fertigung die jeweils zuletzt erzeugte Schicht eines Bauteils während der Fertigung zu prüfen. Auf diese Weise ergibt sich eine Prüfung in Form eines Online-Verfahrens, mittels dessen das gesamte Bauteil während der Entstehung bzw. Herstellung auf Risse untersucht und lückenlos dokumentiert werden kann. Bevorzugterweise wird jede einzelne Schicht einer derartigen Behandlung unterzogen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, eine Rissprüfung mit Hilfe eines Online-Verfahrens ohne signifikanten Mehraufwand durchzuführen. Innere Risse können zerstörungsfrei nachgewiesen werden, so dass eine Luftfahrtzulassung des Bauteiles ohne nachgelagerte Prüfungen möglich ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erzeugt die gesteuerte Wärmebehandlung eine Wärmestrahlung in der Schicht, die im Infrarotbereich am Rand des sichtbaren Spektrums und im Erfassungsspektrum einer Thermografieeinrichtung liegt. Es wird also eine reduzierte Wärmeeinbringung durchgeführt, die die Temperatur in der Schicht örtlich auf ein Niveau anhebt, auf dem Wärmestrahlung im nahen Infrarot ausgesendet wird, ohne dass es dabei zum erneuten Aufschmelzen kommt. Die Wärmestrahlung kommt dabei jedoch so nahe an den Rand des sichtbaren Spektrums, dass eine hochauflösende Thermografieeinrichtung die Wärmeverteilung erfassen kann.
In einer speziellen Ausführungsform bewirkt mindestens eine für das generative Fertigungsverfahren benötigte Energiequelle, insbesondere ein Laser, die Wärmebehandlung. Hierbei ist außer der Energiequelle für das generative Fertigungsverfahren keine weitere Energiequelle erforderlich.
In einer alternativen Ausführungsform bewirkt mindestens eine Energiequelle die Wärmebehandlung, die vom generativen Fertigungsverfahren unabhängig ist. Bei dieser Alternative erfolgt eine Aufteilung der Funktionen des generativen Fertigungsverfahrens und der Wärmebehandlung. Dadurch kann eine bestehende Vorrichtung ohne Online-Rissprüfung leicht nachgerüstet werden.
Außerdem kann das generative Fertigungsverfahren ein selektives Laserschmelzen und/oder ein selektives Lasersintern sein. Diese Verfahren sind besonders gut für die generative Fertigung von metallischen Bauteilen geeignet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Riss durch erneutes Aufschmelzen der rissbehafteten Schicht korrigiert. Dadurch wird die Qualität der Schicht nicht nur geprüft, sondern auch gesichert bzw. gewährleistet.
In einer weiter verbesserten Ausgestaltung der Erfindung werden die von der Thermografieeinrichtung aufgenommenen Bilder analysiert und bei Erkennen des Risses eine Signaleinrichtung aktiviert und/oder ein erneutes Aufschmelzen der rissbehafteten Schicht ausgelöst. Diese Verfahrensschritte können rein manuell, vollautomatisch oder teilweise automatisch bzw. teilweise manuell erfolgen. Das Aktivieren der Signaleinrichtung kann eine Bedienperson alarmieren, wenn ein Riss erkannt wird. Die Bedienperson kann dann die generative Fertigung des Bauteils unterbrechen und die Energiequelle für das generative Fertigungsverfahren so einstellen, dass die rissbehaftete Schicht erneut aufgeschmolzen wird. Alternativ kann das erneute Aufschmelzen der rissbehafteten Schicht automatisch ausgelöst werden. Dabei kann zusätzlich ein Alarmsignal erzeugt werden.
Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit mindestens einer generativen Fertigungseinrichtung und mindestens einer Thermografieeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Energiequelle umfasst, mittels derer die gesteuerte Wärmebehandlung jeder einzelnen Schicht durchführbar ist. Die Energiequelle muss speziell ausgebildet sein, damit diese die gesteuerte Wärmebehandlung ausführen kann. Diese Funktion ermöglicht die Qualitätssicherung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Energiequelle der generativen Fertigungseinrichtung gleichzeitig die Energiequelle für die gesteuerte Wärmebehandlung. Zum Beispiel kann für die Wärmebehandlung der in der generativen Fertigungseinrichtung bereits vorhandene Laser genutzt werden, so dass eine weitere Energiequelle nicht erforderlich ist. Man erreicht dadurch eine Thermografieprüfung ohne zusätzliche Integration weiterer Energiequellen und Aufnahmesysteme in die generative Fertigungseinrichtung.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Energiequelle der generativen Fertigungseinrichtung unabhängig von der Energiequelle für die gesteuerte Wärmebehandlung. Hierdurch ist das leichte Nachrüsten von bestehenden Anlagen möglich.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Thermografieeinrichtung eine hoch auflösenden Bildaufnahmevorrichtung und/oder eine für Infrarotstrahlen sensitive Bildaufnahmevorrichtung, die insbesondere auf CCD-, CMOS- oder sCMOS-Sensoren basiert. Derartige Bildaufnahmevorrichtungen sind gut für thermographische Aufnahmen geeignet. Man erreicht dadurch eine schnelle, extrem hoch auflösende Thermografieprüfung mit allen Vorteilen dieser Prüftechnik.
Zusätzlich kann dass das Bauteil während der Prüfung einhausungsfrei in der generativen Fertigungsvorrichtung angeordnet sein. Dies ermöglicht erst die Durchführung der Bauteilprüfung in einem Online-Verfahren. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Laserthermographie muss das zu prüfende Bauteil aus lasertechnischen Sicherheitsgründen eingehaust werden. Außerdem kommt es durch die hohe Laserenergie zu einer ungesteuerten und unerwünschten starken Erwärmung der Prüfoberfläche.
Insbesondere umfasst die Vorrichtung mindestens eine Anzeigeeinrichtung, mindestens eine Auswerteeinrichtung, mindestens eine Signaleinrichtung zum Melden eines Risses und mindestens eine Steuerung der Energiequelle der generativen Fertigungsvorrichtung. Auf der Anzeigeeinrichtung können die von der Thermografieeinrichtung erfassten Aufnahmen optisch dargestellt werden. Die Auswerteeinrichtung dient zur Datenverarbeitung. Die Signaleinrichtung kann eine Bedienperson alarmieren, wenn ein Riss erkannt wird. Die Bedienperson kann dann die generative Fertigung des Bauteils unterbrechen und die Energiequelle für das generative Fertigungsverfahren so steuern, dass die rissbehaftete Schicht erneut aufgeschmolzen wird. Alternativ kann das erneute Aufschmelzen der Schicht mittels der Steuerung der Energiequelle für das generative Fertigungsverfahren automatisch von der Auswerteeinrichtung ausgelöst werden. Dabei kann zusätzlich die Signaleinrichtung aktiviert werden.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von fünf stark vereinfachten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1,
3 eine thermographische Aufnahme der jeweils obersten Schicht mehrerer Bauteile während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 eine perspektivische Vergrößerung des in 3 dargestellten Ausschnitts IV und
5 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, welche eine generative Fertigungseinrichtung 12 zum Herstellen eines Bauteils 14 umfasst. 1 wird im Folgenden in Zusammenschau mit 2 erläutert werden, in welcher eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gemäß 1 abgebildet ist. Die Vorrichtung 10 dient zur Durchführung eines Verfahrens zur Qualitätssicherung eines Bauteils 14 während dessen Herstellung.
Die generative Fertigungseinrichtung 12 selbst ist vorliegend als an sich bekannte, selektive Laserschmelzanlage (SLM) ausgebildet, d. h. ein Laser 22 ist die Energiequelle für den Schmelzvorgang. Der Laser ist nach unten gerichtet, so dass das Bauteil 14 von unten nach oben in übereinander aufzubringenden Schichten hergestellt werden kann.
Eine Thermografieeinrichtung 18 ist außerhalb eines Bauraums 16 (2) der generativen Fertigungseinrichtung 12 angeordnet und dient dazu, einen Wärmeverlauf in der obersten Schicht des Bauteils 14 während dessen Herstellung zu erfassen. Die Thermografieeinrichtung 18 ist auf die jeweils oberste Schicht des Bauteils 14 gerichtet, wobei der Erfassungswinkel der Thermografieinrichtung 18 den Bauraum 16 überdeckt, so dass die gesamte oberste Schicht des Bauteils 14 erfasst werden kann. Zu diesem Zweck ist die Thermografieeinrichtung in einer vertikalen Ebene, die hier der Bildebene in 2 entspricht, zwischen dem Laser 22 und den äußeren Begrenzungen des Bauraums 16 angeordnet. Dadurch wird eine optische Verzerrung, die bei einer zu stark geneigten Thermografieeinrichtung entstehen könnte, vermieden.
Zwischen dem Bauraum 16 (2) und der Thermografieeinrichtung 18 ist ein Laser-Schutzglas 20 (1) angeordnet, um eine Beschädigung eines sCMOS-Sensors der Kamera durch einen Laser 22 der generativen Fertigungseinrichtung 12 zu verhindern. Die Thermografieeinrichtung 18 befindet sich somit oberhalb des Bauraums 16 und außerhalb des Strahlengangs II des Lasers 22 der generativen Fertigungseinrichtung 12. Hierdurch wird sichergestellt, dass sich die Thermografieeinrichtung 18 nicht im Strahlengang II befindet und dass der Laser 22 dementsprechend keine Energieverluste durch optische Elemente wie halbtransparente Spiegel, Gitter oder dergleichen erleidet. Weiterhin beeinflusst die Thermografieeinrichtung 18 nicht das Herstellungsverfahren des Bauteils 14 und ist zudem einfach austauschbar bzw. nachrüstbar.
Die Thermografieeinrichtung 18 umfasst vorliegend eine IR-sensitive sCMOS-Kamera mit 5,5 Megapixeln und einer Bildwiederholrate von 100 Hz. Obwohl grundsätzlich auch andere Sensortypen, Schwarzweiß-Kameras oder dergleichen verwendet werden können, liefert ein Farbsensor bzw. ein Sensor mit einem breiten Spektralbereich vergleichsweise mehr Informationen, welche eine dementsprechend genauere Beurteilung der obersten Schicht des Bauteils 14 erlauben.
Zum Herstellen des Bauteils 14 werden in an sich bekannter Weise dünne Pulverschichten einer hochtemperaturfesten Metalllegierung auf eine Plattform (nicht gezeigt) der generativen Fertigungseinrichtung 12 aufgebracht, mit Hilfe des Lasers 22 lokal aufgeschmolzen und durch Abkühlen verfestigt. Anschließend wird die Plattform abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgebracht und erneut verfestigt. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das Bauteil 14 hergestellt ist. Ein beispielhaftes Bauteil 14 besteht aus bis zu 2000 Bauteilschichten und hat eine Gesamtschichthöhe von 40 mm. Das fertige Bauteil 14 kann anschließend weiterbearbeitet oder sofort verwendet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die jeweils oberste Schicht des Bauteils 14 einer Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Bauteilmaterials unterzogen. Diese Wärmebehandlung bewirkt, dass von der obersten Schicht eine Wärmestrahlung ausgeht, die mittels einer Thermografieeinrichtung 18 erfasst werden kann. Die Wärmestrahlung der obersten Schicht wird so eingestellt, dass sie im Infrarotbereich am Rand des sichtbaren Spektrums und auch im Empfindlichkeitsbereich der Thermografieeinrichtung 18 liegt.
Der durch eine Energiequelle, z. B. dem Laser 22 oder eine zusätzliche Energiequelle, erzeugte Wärmeverlauf in der obersten Schicht des Bauteils 14 wird dabei mit Hilfe der Thermografieeinrichtung 18 in Form eines Schichtbildes 24 (vgl. 3) ermittelt. Der Wärmeverlauf in der obersten Schicht des Bauteils 14 und gegebenenfalls weitere hieraus abgeleitete Informationen werden anschließend ortsaufgelöst und beispielsweise über Helligkeitswerte und/oder Farben kodiert mittels einer Anzeigeeinrichtung 32 (5) visualisiert.
Während der Prüfung des Bauteils 14 ist dieses ohne eine Einhausung in der generativen Fertigungseinrichtung 12 angeordnet. Eine Einhausung ist nicht notwendig, denn die Thermografieeinrichtung 18 hat weder während der generativen Fertigung noch während der Prüfung des Bauteils 14 einen Einfluss auf den Wärmeverlauf im Bauteil 14.
Durch die optische Thermographie werden nicht nur geometrische Informationen, sondern auch Informationen über die lokale Temperaturverteilung in der betreffenden Bauteilschicht erhalten. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass das Schichtbild 24 aus mehreren Einzelbildern zusammengesetzt ist. Beispielsweise kann das Schichtbild 24 je nach Fläche des Bauraums 16 aus bis zu 1000 Einzelbildern oder mehr pro Bauteilschicht zusammengesetzt werden bzw. aus Einzelbildern, die jeweils zwischen 0,1 cm 2 und 1,0 cm der einzelnen Bauteilschicht abbilden. Die Belichtungszeit pro Bild liegt bedarfsweise zwischen 1 ms und 5000 ms, bevorzugt zwischen 50 ms und 500 ms.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die vom Laserstrahl zurückgelegte Strecke pro Einzelbild zwischen 10 mm und 120 mm, also beispielsweise 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm, 60 mm, 70 mm, 80 mm, 90 mm, 100 mm, 110 mm oder 120 mm beträgt. Weiterhin kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass jedes Schichtbild 24 innerhalb von 2 Minuten ermittelt wird, um eine zu starke Abkühlung der Bauteilschichten und einen damit einhergehenden Informationsverlust zu vermeiden.
3 zeigt exemplarisch ein Schichtbild 24 von mehreren Bauteilen 14, die gemeinsam im Bauraum 16 der Fertigungseinrichtung 12 hergestellt werden und vorliegend als Rotorschaufeln für ein Flugzeugtriebwerk dargestellt sind, die in einer Richtung senkrecht zu ihrer Längserstreckung schichtweise aufgebaut werden. Das Schichtbild kann beispielsweise auf mindestens einer Anzeigeeinrichtung 32 (5) dargestellt sein. Man erkennt, dass das Schichtbild 24 den gesamten Bauraum 16 überlappungsfrei abbildet. Von jedem Bauteil 14 können beliebig viele Detailausschnitte vergrößert werden. Die maximale Vergrößerung der Detailausschnitte hängt vom Auflösungsvermögen der Thermografieeinrichtung 18 ab.
Mit dem Bezugszeichen III sind ein Detail und die zugehörige Vergrößerung dieses Details von einem der Bauteile 14 gekennzeichnet, wobei das entsprechende Bauteil 14 in seiner obersten Schicht einen schematisch dargestellten Riss 30 aufweist. Der Riss 30 kann ein Heißriss oder ein Segmentierungsriss sein. Das Bezugszeichen IV kennzeichnet einen speziellen Ausschnitt aus dem Detail III, wobei der Ausschnitt IV den Riss 30 umfasst.
4 zeigt eine zusätzliche Vergrößerung des Ausschnitts IV in einer schematischen perspektivischen Ausschnittsansicht. Beispielhaft sind hier drei Schichten 26, 28 des Bauteils 14 dargestellt. Das Bauteil 14 kann jedoch auch in Abhängigkeit vom momentanen Fertigungszustand mehr oder weniger Schichten 26 umfassen. Die beiden hier dargestellten Schichten 26 sind rissfreie Schichten, deren Rissfreiheit mit Hilfe der Thermografieeinrichtung 18 festgestellt werden konnte, so dass der Fertigungsprozess weitergeführt wurde. Die oberste Schicht des Bauteils 14 ist eine rissbehaftete Schicht 28.
Der Verlauf und die Form des Risses 30 sind hier lediglich schematisch dargestellt. In der Schicht 28 kann auch mehr als ein Riss 30 auftreten. Der Riss kann eine beliebige zufällige Form annehmen. Die Länge und Breite des Risses 30 kann variieren und im Bereich weniger Mikrometer liegen. Diese geringen Abmessungen können nur mit Hilfe der Thermografieeinrichtung 18 erfasst werden. Risse 30 in dieser Größenordnung können außerdem nur durch die entsprechende oben beschriebene Wärmebehandlung in den optischen Erfassungsbereich der Thermografieeinrichtung gebracht werden.
Wenn die Länge und/oder die maximale Breite des Risses 30 bestimmte Grenzwerte unterschreiten, kann die generative Fertigung fortgesetzt werden. Wenn die Grenzwerte jedoch erreicht oder überschritten werden, wird der Herstellungsprozess für das entsprechende Bauteil 14 vorzeitig beendet oder die rissbehaftete Schicht 28 des Bauteils 14 wird durch ein erneutes Aufschmelzen korrigiert.
Gemäß 5 wird jede Schicht 26, 28 mit Hilfe der Thermografieeinrichtung 18 optisch erfasst und auf der Anzeigeeinrichtung 32 dargestellt. Zudem steht die Thermografieeinrichtung mit mindestens einer Auswerteeinrichtung 34 in Wirkverbindung, so dass die aufgenommenen Bilder dort sortiert und gespeichert und ggf. ein Befehl zum Unterbrechen des generativen Fertigungsprozesses eines oder mehrerer rissbehafteter Bauteile 14 ausgelöst werden können. Die Auswerteeinrichtung 34 ist so konfiguriert, dass diese den Riss 30 in der obersten Schicht 28 des Bauteils 14 mit Hilfe eines Algorithmus erkennen kann. Diese Abläufe können jedoch auch manuell nach Auswertung der Bilder bzw. Aufnahmen der Thermografieeinrichtung 18 auf der Anzeigeeinrichtung 32 durch eine Bedienperson durchgeführt werden.
Wenn mit Hilfe der Thermografieeinrichtung 18 und der Auswerteeinrichtung 34 erkannt wird, dass die Schicht 28 des Bauteils 14 rissbehaftet ist, kann der generative Fertigungsprozess unterbrochen und die rissbehaftete Schicht 28 durch erneutes Aufschmelzen korrigiert werden. Das erneute Aufschmelzen der rissbehafteten Schicht 28 erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Auswerteeinrichtung 34 bei automatischem Erkennen eines Risses 30 der Steuerung 38 des Lasers 22 einen entsprechenden Befehl zum Unterbrechen des generativen Fertigungsprozesses und zum erneuten Aufschmelzen gibt.
Alternativ kann der generative Fertigungsprozess für ein einzelnes oder mehrere rissbehaftete Bauteile 14 vorzeitig beendet werden. Dies erfolgt durch einen manuell oder von der Auswerteeinrichtung 34 automatisch ausgelösten Befehl an die Steuerung 38 des Lasers 22.
Das vorzeitige Beenden des generativen Fertigungsprozesses wird bevorzugt durchgeführt, wenn das Bauteil 14 erst eine geringe Anzahl von Schichten 26, 28 aufweist. Wenn das Bauteil 14 bereits fast fertig ist, wird das Unterbrechen und erneute Aufschmelzen der Schicht 28 bevorzugt.
Ganz allgemein kann die Auswerteeinrichtung 34 auch mit Hilfe einer Signaleinrichtung 36 einen Alarm in Form akustischer oder optischer Signale auslösen, z. B. in Form einer Warnmeldung auf der Anzeigeeinrichtung 32 oder einer anderen an die generative Fertigungseinrichtung 12 angeschlossenen Recheneinrichtung (nicht dargestellt). Dann kann von einer Bedienperson entschieden werden, ob und wie die generative Fertigung der Bauteile 14 fortgeführt wird.
Die Auswerteeinrichtung 34 und die Signaleinrichtung 36 einschließlich der erforderlichen Signalleitungen zwischen der Thermografieeinrichtung 18, der Auswerteeinrichtung, der Signaleinrichtung 36 und der Steuerung 38 des Lasers 22 generativen Fertigungseinrichtung 12 sind Bestandteile der Vorrichtung 10.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils während dessen Herstellung, wobei die Herstellung mittels mindestens eines generativen Fertigungsverfahrens erfolgt, das folgende Schritte umfasst:

Um eine zerstörungsfreie Rissprüfung eines metallischen Bauteils während des Herstellungsprozesses (Prüfung mittels eines Online-Verfahrens) zu ermöglichen, werden zumindest einige der aufgetragenen Schichten, vor der thermografischen Aufnahme des zugehörigen Bildes einer gesteuerten Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Bauteilmaterials unterzogen, wobei die Wärmebehandlung eine von der zuletzt aufgetragenen Schicht ausgehende Wärmestrahlung bewirkt, die beim Auftreten mindestens eines Risses in der Schicht einen charakteristischen Wärmeverlauf am Riss aufweist, wobei der Wärmeverlauf und damit der Riss mittels der zugehörigen thermografischen Aufnahme sichtbar gemacht wird. Bevorzugterweise wird jede aufgetragene Schicht einer derartigen Behandlung unterzogen.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Generative Fertigungseinrichtung
14: Bauteil
16: Bauraum
18: Thermografieeinrichtung
20: Laserschutzglas
22: Laser
24: Schichtbild
26: Rissfreie Schicht
28: Rissbehaftete Schicht
30: Riss
32: Anzeigeeinrichtung
34: Auswerteeinrichtung
36: Signaleinrichtung
38: Steuerung
II: Strahlengang des Lasers
III: Detail
IV: Ausschnitt

Claims

Verfahren zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils (14) während dessen Herstellung, wobei die Herstellung mittels mindestens eines generativen Fertigungsverfahrens erfolgt, das folgende Schritte umfasst: – schichtweiser Aufbau des Bauteils (14), – thermografische Aufnahme mindestens eines Bildes von jeder einzelnen aufgetragenen Schicht (26, 28), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der aufgetragenen Schichten (26, 28) vor der thermografischen Aufnahme des zugehörigen Bildes einer gesteuerten Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Bauteilmaterials unterzogen werden, wobei die Wärmebehandlung eine von der zuletzt aufgetragenen Schicht ausgehende Wärmestrahlung bewirkt, die beim Auftreten mindestens eines Risses (30) in der Schicht (28) einen charakteristischen Wärmeverlauf am Riss (30) aufweist, wobei der Wärmeverlauf und damit der Riss (30) mittels der zugehörigen thermografischen Aufnahme sichtbar gemacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Wärmebehandlung eine Wärmestrahlung in der Schicht (26, 28) erzeugt, die im Infrarotbereich am Rand des sichtbaren Spektrums und im Erfassungsspektrum einer Thermografieeinrichtung (18) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine für das generative Fertigungsverfahren benötigte Energiequelle, insbesondere ein Laser (22), die Wärmebehandlung bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Energiequelle die Wärmebehandlung bewirkt, die vom generativen Fertigungsverfahren unabhängig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das generative Fertigungsverfahren ein selektives Laserschmelzen und/oder ein selektives Lasersintern ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Riss (30) durch erneutes Aufschmelzen der rissbehafteten Schicht (28) korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Thermografieeinrichtung (18) aufgenommenen Bilder analysiert und bei Erkennen des Risses (30) eine Signaleinrichtung aktiviert und/oder ein erneutes Aufschmelzen der rissbehafteten Schicht (28) ausgelöst werden.
Vorrichtung (10) zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils während dessen Herstellung, wobei die Herstellung mittels mindestens eines generativen Fertigungsverfahrens erfolgt, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mindestens einer generativen Fertigungseinrichtung (12) und mindestens einer Thermografieeinrichtung (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) mindestens eine Energiequelle (22) umfasst, mittels derer die gesteuerte Wärmebehandlung jeder einzelnen Schicht (26, 28) durchführbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (22) der generativen Fertigungseinrichtung (12) gleichzeitig die Energiequelle für die gesteuerte Wärmebehandlung ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (22) der generativen Fertigungseinrichtung (12) unabhängig von der Energiequelle für die gesteuerte Wärmebehandlung ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermografieeinrichtung (18) eine hoch auflösenden Bildaufnahmevorrichtung und/oder eine für Infrarotstrahlen sensitive Bildaufnahmevorrichtung umfasst, die insbesondere auf CCD-, CMOS- oder sCMOS-Sensoren basiert.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (14) während der Prüfung einhausungsfrei in der generativen Fertigungsvorrichtung (12) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) mindestens eine Anzeigeeinrichtung (32), mindestens eine Auswerteeinrichtung (34), mindestens eine Signaleinrichtung (36) zum Melden eines Risses (30) und mindestens eine Steuerung (38) der Energiequelle der generativen Fertigungsvorrichtung (12) umfasst.